一種雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、第一電機、第二電機、第三電機以及機器人電動病床，所述的控制板采用雙核控制器，包括ARM和FPGA，所述的FPGA內部還設有伺服梯形發生器，由所述的FPGA經過伺服梯形發生器發出第一控制信號和、第二控制信號和第三控制信號，通過磁電編碼器由所述的第一電機、第二電機和第三電機控制所述的機器人電動病床的前進、運行速度和運行方向。通過上述方式，本發明通過控制器改變其行走速度，通過兩輪差速行駛方式改變其方向；當爬坡需要更多能量時，開啟助力電機起到功率補償作用，可以很好的通過電動助力減少護工或者護士人員的勞動量和勞動強度。
【專利說明】
一種雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器
技術領域
[0001 ]本發明涉及一種雙核三輪驅動高速機器人電動病床自動控制系統，屬于自動電動 病床領域。
【背景技術】
[0002] 醫用病床系統是一種用于醫院病房內提供承載患者的設備。目前發達國家醫院中 使用的醫用病床基本上全部自動化，家庭病床、社區醫院病床也已經使用多功能電動床。部 分醫用病床可以通過外力改變形狀達到輔助調整患者體位的目的，其中有些附件具有促進 患者康復的效果;可控制電動病床是相對高級的自動化產品，具有省時省力的優點。由于電 控制的特點，控制鍵可以安裝在任何允許病床接受到信號的范圍內，提高了控制的自由度。 通過附件升級，還可以實現權限分配。電動驅動產品精度更高，便于流水線作業，已作為ICU 重癥監護室、手術室、造影室等中使用的特種醫用病床。
[0003] 我國在醫用電動病床領域的研究開發相對滯后，整體水平不高，現國內各級醫院 均是采用普通的機械病床：由床腿、床體和床面組成。為了移動方便移動，一般均在床腿上 設置機械滾動滑輪;為了方便病人坐起，均在床頭部分設置機械手動搖起裝置。對于這類型 病床，一般均需要護理人員幫助，很難獨自完成，同時病床功能單一，實用性能不強。
[0004] 長時間運行發現存在著很多安全隱患和不便，即： (1) 現有的部分病床通過四個固定站腳與地面接觸起到支撐作用，病人均被固定在某 一個封閉的環境中，隨著病人長時間的住院，對病人的身心造成了極大的傷害； (2) 雖然部分病床把固定站腳改為了機械萬向輪，可以通過醫護人員移動病床到某個 空間，但是由于病床移動隨意性較大，有時候會出現誤操作，甚至有時候會傷害到病人； (3) 隨著現代人類生活質量的增加，肥胖病人大量增加，而護士人員一般又都比較瘦 小，通過機械萬向輪移動病人使得護士人員非常吃力，加重了勞動強度； (4) 隨著老齡化的加重，大量的老人也加重了對病床的需求，現在的護工人員又比較 少，基于機械萬向輪的病床加重了護工人員的勞動強度； (5) 所有的機械病床一般均固定在某個位置，一旦需要移動或者變換方向均需要外部 人員完成，加重了護工人員的勞動量； (6) 現在的機械病床即使可以通過外力通過病房門口被推到外部環境中，由于人為操 作的自動化程度比較低，通過病房門口都需要點時間調整病床的姿態才可以通過； (7) 現在的機械病床即使可以通過機械萬向輪的支撐到達病房以外的環境，在調節了 病人身心的同時，也加大了護工人員的勞動量，特別是通過爬坡的地方時，對護工人員的體 力提出了更高的要求； (8) 雖然單輪驅動的電動病床可以很好的滿足對病床速度和方向的解耦，但是單輪驅 動的行走電機功率較大，有時候會造成大馬拉小車的現象出現； (9) 由于單輪驅動的電動病床動力與地面的接觸點只有一個，造成人為很難精確控制 其移動的方向，輕微的一點干擾就能造成較大的方向改變； (10) 雖然雙輪驅動可以削弱單輪驅動的部分缺點，但是機器人電動病床在爬坡的時候 如果通過電機過載來滿足功率要求，長時間的運行會傷害電機的性能，造成系統的可靠性 大幅度降低； (11) 機器人電動病床在許多緊急狀態下需要快速加速和以較高的速度運行，在這種條 件下系統需求的功率較大，滿足正常行駛的兩輪電機功率無法滿足加速要求，系統無法滿 足緊急狀況下的功率要求； (12) 基于單核控制的機器人電動病床，由于既要處理多軸電機的伺服控制，又要處理 機器人病床的多種傳感器采樣數據，由于單核處理器處理的數據較多，運算速度不是很快， 不利于機器人高速運轉，且有時候由于處理數據較多導致機器人病床失控； (13) 由于機器人電動病床在運行過程中頻繁的剎車和啟動，加重了單核控制器的工作 量，單核控制器無法滿足機器人電動病床快速啟動和停止的要求； (14) 由于受周圍環境不穩定因素干擾，單核機器人電動病床控制器經常會出現異常， 引起機器人病床在行駛過程中失控，抗干擾能力較差； (15) 雖然基于專用伺服控制芯片可以生成多軸電機的PWM控制信號，但是需要主控制 器與專用芯片通訊后輸入控制參數才可以實現，造成整體運算速度降低； (16) 受專用伺服控制芯片內部伺服程序的影響，一般情況下伺服控制PID參數不能實 時更改，滿足不了電動病床實時快速伺服控制系統的要求。
【發明內容】
[0005] 本發明主要解決的技術問題是提供一種雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制 器，為克服普通醫院病床不能滿足病人實際要求，在吸收國外先進控制思想的前提下，自主 研發了一款基于ARM(STM32F407)+FPGA(A3P250)的兩輪差速行駛單輪助力的三軸驅動機器 人電動病床。此機器人控制系統以FPGA(A3P250)為處理核心，實現三軸直流無刷電機的同 步伺服控制，STM32F407實現多種傳感器信號的數字信號實時處理，并實時相應各種中斷保 護請求，并實現與FPGA(A3P250)數據通信。
[0006] 為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供了一種雙核三輪驅動 高速機器人電動病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、第一電機、第二電機、第三電機 以及機器人電動病床，所述的交流電源和電池提供電流驅動所述的控制板，所述的控制板 采用雙核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM和FPGA進行通信連接，所述的FPGA內部還設有 伺服梯形發生器，所述的機器人電動病床上設有傳感器，所述的FPGA接受傳感器反饋的傳 感器信號，由所述的FPGA經過伺服梯形發生器發出第一控制信號和、第二控制信號和第三 控制信號，所述的第一控制信號、第二控制信號和第三控制信號經驅動放大后驅動所述的 第一電機、第二電機和第三電機，所述的第一電機、第二電機和第三電機上均設置有磁電編 碼器，通過磁電編碼器由所述的第一電機、第二電機和第三電機控制所述的機器人電動病 床的前進、運行速度和運行方向。
[0007] 在本發明一個較佳實施例中，所述的電池采用鋰離子電池。
[0008]在本發明一個較佳實施例中，所述的第一電機、第二電機和第三電機均米用高速 直流無刷伺服電機。
[0009] 在本發明一個較佳實施例中，所述的ARM采用STM32F407;所述的FPGA采用A3P250。
[0010] 在本發明一個較佳實施例中，所述的傳感器包括加速度計和陀螺儀。
[0011] 在本發明一個較佳實施例中，所述的第一控制信號、第二控制信號和第三控制信 號均為PffM波控制信號。
[0012] 在本發明一個較佳實施例中，所述的雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器還 設置有人機界面程序和運動控制系統，所述的人機界面程序包括人機界面、路徑規劃以及 在線輸出，所述的運動控制系統包括基于FPGA三軸直流無刷電機伺服控制、數據存儲以及 I/O控制，其中，所述的基于FPGA三軸直流無刷電機伺服控制包括磁電編碼器模塊、加速度 計和陀螺儀加速度模塊、基于磁電傳感器速度模塊以及基于磁電傳感器位移模塊。
[0013] 本發明的有益效果是:本發明的雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器，設計 了一款基于FPGA的雙核三輪驅動高速機器人電動病床，這種病床在保證快速性、穩定性和 安全性的前提下，通過控制器改變其行走速度，通過兩輪差速行駛方式改變其方向；當爬坡 需要更多能量時，開啟助力電機起到功率補償作用，可以很好的通過電動助力減少護工或 者護士人員的勞動量和勞動強度，機器人病床攜帶的多種傳感器組合使得其具有多種功 能，可以滿足不同條件下病人對病床的需求。
【附圖說明】
[0014] 為了更清楚地說明本發明實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使 用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于 本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它 的附圖，其中： 圖1為本發明基于ARM+ FPGA雙核三輪驅動醫用病床原理圖； 圖2為本發明基于ARM+ FPGA雙核三輪驅動機器人電動病床程序框圖； 圖3為基于ARM+ FPGA雙核三輪驅動機器人電動病床運動原理框圖； 圖4為基于ARM+ FPGA雙核三輪驅動機器人電動病床通過病房門口自動導航原理圖。
【具體實施方式】
[0015] 下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施 例僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通 技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范 圍。
[0016] 如圖1所示，本實施例包括： 一種雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器，包括交流電源、電池、控制板、第一電 機、第二電機、第三電機以及機器人電動病床，所述的交流電源和電池提供電流驅動所述的 控制板，所述的控制板采用雙核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM和FPGA進行通信連接， 所述的FPGA內部還設有伺服梯形發生器，所述的機器人電動病床上設有傳感器，所述的 FPGA接受傳感器反饋的傳感器信號，由所述的FPGA經過伺服梯形發生器發出第一控制信號 和、第二控制信號和第三控制信號，所述的第一控制信號、第二控制信號和第三控制信號經 驅動放大后驅動所述的第一電機、第二電機和第三電機，所述的第一電機、第二電機和第三 電機上均設置有磁電編碼器，通過磁電編碼器由所述的第一電機、第二電機和第三電機控 制所述的機器人電動病床的前進、運行速度和運行方向。
[0017] 本實施例中，所述的電池采用鋰離子電池;所述的第一電機、第二電機和第三電機 均采用高速直流無刷伺服電機。
[0018] 進一步的，所述的ARM采用STM32F407;所述的FPGA采用A3P250。
[0019] STM32F4系列除引腳和軟件兼容高性能的F2系列外，F4的主頻（168MHz)高于F2系 列（120MHz)，并支持單周期DSP指令和浮點單元、更大的SRAM容量（192 KB，F2為128 KB)、 512KB-1MB的嵌入式閃存以及影像、網絡接口和數據加密等更先進的外設。STM32F4系列基 于最新的STM32F407 Cortex M4內核，在現有出色的STM32微控制器產品組合中新增了信 號處理功能，并提高了運行速度;STM32F405X集成了定時器、3個ADC、2個DAC、串行接口、外 存接口、實時時鐘、CRC計算單元和模擬真隨機數發生器在內的整套先進外設。STM32F407在 STM32F405產品基礎上增加了多個先進外設。這些性能使得F4系列可以較容易滿足控制和 信號處理功能混合的數字信號控制需求。高效的信號處理功能與C 〇rteX-M4處理器系列的 低能耗、低成本和易于使用的優點的組合，使得STM32F407性能遠遠優越于一般的DSP芯片， 并且STM32F407可以極大地簡化外圍電路設計，降低系統成本和系統復雜度，也大大提高了 數據的存儲處理能力。
[0020] FPGA是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物，FPGA使得用戶 可以根據自己的設計需要，通過特定的布局布線工具對其內部進行重新組合連接，在最短 的時間內設計出自己的專用集成電路，這樣就減小成本、縮短開發周期。由于FPGA采用軟件 化的設計思想實現硬件電路的設計，這樣就使得基于FPGA設計的系統具有良好的可復用和 修改性，這種全新的設計思想已經逐漸應用在高性能的交、直流驅動控制上，并快速發展。 它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，即解決了定制電路的不 足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點，可以說，FPGA芯片是小批量系統提高系 統集成度、可靠性的最佳選擇之一。綜合本發明的需要，選用FPGA作為多軸直流無刷伺服電 機的伺服控制調節器，把STM32F407從復雜的多軸伺服控制算法中解脫出來。
[0021] 為了能夠更好的移動機器人電動病床，本發明電動病床驅動部分采用輪式結構， 因為相對于步行、爬行或其它非輪式的移動機器人，輪式機器人具有行動快捷、工作效率 高、結構簡單、可控性強、安全性好等優勢。
[0022] 由于本機器人電動病床既要考慮其運行速度，又要考慮其運行方向以及加速和爬 坡時功率需求，為了優化系統能源利用率且滿足不同狀況下的功率需求，本發明采用三個 電機來完成系統對功率的不同需求:通過兩軸電機差速行駛來實現速度和方向的調控，并 且兩輪差速行駛的兩個電機功率大小相等，功率加起來可以滿足正常行駛時的功率要求； 加速和爬坡需要電動助力時，系統開啟助力電機滿足爬坡功率滿足。這樣既不傷害兩輪差 速電機，也可以進一步減少其功率。在正常行駛條件下，為了調整機器人電動病床的行駛方 向，通常改變兩臺電機的速度大小就可以隨意實現方向的改變。由于直流電機在高速旋轉 時偶爾會產生火花，而醫院病房又是一個特殊的場合，任何火花都可能會對病人的氧氣瓶 和吸氧裝置產生潛在的危險，因此，本發明中負責機器人電動病床行走功能的兩臺差速行 駛電機和爬坡助力電機均采用直流無刷伺服電機，由于直流無刷伺服電機采用霍爾傳感器 進行電子換向，高速旋轉不會產生任何火花，有效消除了安全隱患。
[0023] 由于本發明中的機器人電動病床既要適應病房中相對干凈的環境，又要適應病房 外相對灰塵較多的骯臟環境，為了減少灰塵對電機攜帶速度和位移傳感器的影響，本發明 舍棄了傳統系統中常用的光電編碼器，而采用基于磁電傳感器AS5040H的編碼器，磁電編碼 器可以有效測量出三軸直流無刷伺服電機運動時的速度和位移，為機器人電動病床三軸同 步三閉環伺服控制提供了可靠反饋。
[0024] 本實施例中，所述的傳感器包括加速度計和陀螺儀;所述的第一控制信號、第二控 制信號和第三控制信號均為PWM波控制信號。
[0025] 加速度計傳感器在較長時間的測量值是正確的，而在較短時間內由于信號噪聲的 存在，而有一定誤差。陀螺儀在較短時間內則比較準確，而較長時間則會隨著漂移的存在而 產生一定誤差，因此，需要加速度計和陀螺儀相互調整來確保航向的正確。為了提高機器人 電動病床在行走過程中導航的穩定性，實現姿態的自動精確調整以及計算加速爬坡時需要 的功率，本發明在機器人電動病床伺服硬件系統中加入了三軸加速度計和三軸陀螺儀。在 機器人電動病床行走期間全程開啟加速度計和陀螺儀，加速度計和用來測量機器人病床三 個前進方向的加速度和速度，控制器根據測量值然后通過積分就可以得到其位移，為機器 人的三閉環控制提供可靠判據；當機器人病床的姿態發生變化時，控制器就可以得到其大 致傾斜角度，一方面根據角度改變其功率需求，另一方面當姿態發生較大變化時，控制器在 一個新的采樣周期立即對其位置補償，避免機器人電動病床在行走過程中因為傾斜過大而 發生危險，提高了其快速行走導航時的穩定性;如果對加速度計和陀螺儀的值進行連續積 分和匹配，且把它變換到導航坐標系中，機器人電動病床可以不依賴于任何外部信息就能 夠得到其在醫院導航坐標系中的加速度、速度、偏航角和位置等信息，所產生的導航信息連 續性好而且噪聲非常低，可以和磁電編碼器傳感器相互匹配然后為多軸伺服控制提供加速 度、速度和位移反饋，極大增強了機器人病床的行走的安全性和準確性。
[0026] 本發明為克服普通醫院病床不能滿足病人實際要求，在吸收國外先進控制思想的 前提下，自主研發了一款基于ARM(STM32F407)+FPGA(A3P250)的兩輪差速行駛單輪助力的 三軸驅動機器人電動病床。此機器人控制系統以FPGA(A3P250)為處理核心，實現三軸直流 無刷電機的同步伺服控制，STM32F407實現多種傳感器信號的數字信號實時處理，并實時相 應各種中斷保護請求，并實現與FPGA(A3P250)數據通信 如圖2所示，所述的雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器還設置有人機界面程序 和運動控制系統，所述的人機界面程序包括人機界面、路徑規劃以及在線輸出，所述的運動 控制系統包括基于FPGA三軸直流無刷電機伺服控制、數據存儲以及I/O控制，其中，所述的 基于FPGA三軸直流無刷電機伺服控制包括磁電編碼器模塊、加速度計和陀螺儀加速度模 塊、基于磁電傳感器速度模塊以及基于磁電傳感器位移模塊。
[0027]為達上述目的，本發明采取以下技術方案，為了提高運算速度，保證醫用機器人 電動病床控制系統的穩定性和可靠性，本發明采用32位高性能ARM(STM32F407 )和FPGA (A3P250)，舍棄了傳統采用的單一單片機或單一 16位的DSP芯片，此控制器充分考慮蓄電池 在這個系統的作用，實現雙核控制器同步控制三軸直流無刷伺服電機的功能。機器人電動 病床充分發揮FPGA(A3P250 )作為伺服處理器數據處理速度較快的特點，而由ARM (STM32F407)實現人機界面、I/O控制、路徑導航、在線輸出、數據采集與存儲等功能，同時實 時相應各種中斷。
[0028] 對于本文設計的基于ARM(STM32F407)+ FPGA(A3P250)雙核機器人電動病床控制 器，在電源打開狀態下，人機界面先工作，如果確實需要移動電動病床，護工人員、護士人員 輸入各自的權限密碼，ARM(STM32F407)使能FPGA(A3P250)機器人電動病床才可能在屋子里 移動，否則機器人電動病床就待在原地等待權限開啟命令;如果機器人電動病床需要推出 病房，此時醫院負責人需要開啟自己的權限密碼，否則機器人電動病床一旦移動到門口位 置被門口監控傳感器探測到，檢測系統會觸發控制器上的傳感器，FPGA(A3P250)鎖死當前 的機器人電動病床并發出誤操作警報。在正常運動狀態下，機器人電動病床通過各種傳感 器讀取外部環境比反饋參數給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)經內部伺服梯形發生器生成 兩軸差速行駛的直流無刷伺服電機的同步控制PWM信號，PWM波信號經驅動放大后驅動直流 無刷電機X和直流無刷電機Y向前運動，其運動速度和位移被相對應的磁電編碼器反饋給 FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)根據運行狀態參數二次調整兩軸同步PffM控制信號以滿足 實際工作需求;在加速行駛或爬坡狀態下，機器人電動病床通過各種傳感器讀取外部環境 比反饋參數給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)經內部伺服梯形發生器生成三軸直流無刷伺 服電機的同步控制PWM信號，PWM波信號經驅動放大后驅動直流無刷電機X、直流無刷電機Y 和直流無刷伺服電機Z向前運動，其運動速度和位移被相對應的磁電編碼器反饋給FPGA (A3P250)，由FPGA(A3P250)根據運行狀態參數二次調整三軸同步HVM控制信號以滿足實際 工作需求。機器人電動床在運行過程中，基于STM32F407的人機界面在線存儲并輸出當前狀 態，使得處理比較直觀。
[0029]參照圖2,具體實施步驟是： 把醫用電動床控制系統分為兩部分:人機界面系統和運動控制系統。其中人機界面系 統完成人機界面、路徑規劃、在線輸出等功能;基于FPGA(A3P250)運動控制系統完成電動病 床的多軸伺服控制，而ARM(STM32F407)實現數據存儲、I/O控制等功能，系統充分發揮FPGA (A3P250)處理數據較快的優點，同時由ARM(STM32F407)實時處理各種中斷信號和數據存 儲。
[0030]參照圖2、圖3和圖4,其具體的功能實現如下： 1) 在機器人電動病床未接到任何指令之前，它一般會和普通醫用病床沒有區別，被固 定在某一個區域，交流電源對系統中的蓄電池充電，保證機器人電動病床有足夠的能源完 成任務； 2) -旦接到主控器發出的工作命令后，為了防止機器人電動病床的移動損害充電連接 線，STM32F407控制器會自動斷開連接線與交流電源的連接，機器人電動病床轉為蓄電池 供電狀態； 3) 為了防止誤操作，本發明采用三級啟動權限，當確定需要移動機器人電動病床時，如 果只是在病房內部移動機器人電動病床，則需要護工人員和護士先后通過人機界面輸入權 限密碼開啟屋內行走模式;如果是需要推動機器人電動病床走出病房，則需要護工人員、護 士和醫院負責人先后通過人機界面輸入權限密碼開啟屋外行走模式； 4) 當機器人電動病床開啟行走模式后，一旦啟動鍵SS按下，系統首先完成初始化并檢 測電源電壓，如果蓄電池電源不正常，將向ARM(STM32F407)和FPGA(A3P250)發出中斷請 求，STM32F407和A3P250會對中斷做第一時間響應，如果STM32F407和A3P250的中斷響應 沒有來得及處理，車體上的自鎖裝置將被觸發，進而達到自鎖的功能，防止誤操作；如果電 源正常，電動床機器人將開始正常工作； 5) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，FPGA(A3P250)控制器將檢測側向轉 彎按鈕SK是否被觸發;如果側向轉彎按鈕SK被觸發，FPGA(A3P250)根據機器人運動部分需 要旋轉角度沒=M lt和其內部梯形發生器，把直流無刷伺服電機X和Y要運轉的距離SX轉化 為加速度、速度和位置參考指令值，然后FPGA(A3P250)再結合電機X和電機Y的磁電傳感器 Ml、M2的反饋生成驅動直流無刷伺服電機X和電機Y的驅動信號，驅動信號經功率橋放大后 驅動直流無刷伺服電機X和電機Y以相反的方向運動，在運動過程Ml和M2實時反饋電機的運 行參數給FPGA(A3P250)，FPGA(A3P250)根據反饋參數二次微調電機X和電機Y的PffM控制信 號，使得旋轉系統在規定時間內完成側轉90 n任務，由于在此過程中只是電機X和電機Y組成 的旋轉部分旋轉90度，并未改變電動病床的方向，提高了機器人電動病床在狹小空間的實 用性;在運動過程中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以滿足實際需 要，ARM實時記錄電動病床的運行參數并在人機界面顯示； 6) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時前進按鈕SF被觸發，系統會 對加速按鍵SA進行判斷，如果系統確定加速按鍵SA已經觸發，說明機器人電動病床需要加 速或者是爬坡，此時ARM控制器會根據需要對機器人所需要的功率進行優化分配，然后開啟 三軸電機同步伺服控制模式;根據加速度和速度要求，FPGA(A3P250)結合直流無刷電機X、 電機Y和電機Z配備的磁電編碼器M1、M2和M3的反饋經內部梯形發生器生成驅動三軸直流無 刷電機的PffM驅動信號，驅動信號經驅動器放大后驅動三軸電機向前運動，在此過程中磁電 編碼器Ml、M2和M3實時向A3P250反饋其位移信號，FPGA(A3P250)把此位移信號轉化為機器 人電動病床的實際運行距離;在運動過程中，機器人攜帶的前方防撞超聲波傳感器S9和SlO 將工作，并向FPGA(A3P250)控制器時刻反饋其與前方障礙物的距離;如果防撞超聲波傳感 器S9或者是SlO讀取到前方有障礙物時，FPGA(A3P250)經內部伺服控制程序調整直流無刷 伺服電機X、電機Y、電機Z的PWM輸出，控制機器人電動病床在安全范圍內停車，控制器并開 啟一個三秒的計時，如果三秒后控制器依舊讀取到障礙物則通知人機界面改換行走軌跡； 如果三秒后障礙物信號消息，則機器人電動病床將按照當前路徑繼續啟動前進;在機器人 電動病床運動過程中，磁電傳感器Ml、M2和M3會時刻檢測直流無刷伺服電機X、電機Y和電機 Z的運動速度和位移，并傳送給FPGA(A3P250)，由FPGA(A3P250)二次調整直流無刷電機X、電 機Y和電機Z的PffM波控制信號以滿足實際需求；在運動過程中，FPGA根據外界情況實時調 整伺服控制程序的PID參數以滿足實際需要，ARM實時記錄電動病床的運行參數并在人機界 面顯不； 7) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時只有前進按鈕SF被觸發，加 速按鍵SA未被觸發，機器人電動病床將開始向前按照正常速度運動：電機X和電機Y被啟動， 電機Z被釋放;在運動過程中，機器人攜帶的前方防撞超聲波傳感器S9和SlO將工作，并向 STM32F407控制器時刻反饋其與前方障礙物的距離；如果防撞超聲波傳感器S9或者是SlO 讀取到前方有障礙物時，FPGA(A3P250)經內部伺服控制程序調整直流無刷伺服電機X和電 機Y的PffM輸出，控制機器人電動病床在安全范圍內停車，控制器并開啟一個三秒的計時，如 果三秒后控制器依舊讀取到障礙物則通知人機界面改換行走軌跡;如果三秒后障礙物信號 消息，則機器人電動病床將按照當前路徑繼續啟動前進;在機器人電動病床運動過程中，磁 電傳感器Ml、M2會時刻檢測直流無刷伺服電機X和電機Y的運動速度和位移，并傳送給FPGA (A3P250)，由FPGA(A3P250)二次調整直流無刷電機X和電機Y的P麗波控制信號以滿足實際 需求；在運動過程中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以滿足實際需 要，ARM實時記錄電動病床的運行參數并在人機界面顯示； 8) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時后退按鈕SB也被觸發，無論 加速按鍵SA是否被觸發，機器人電動病床都將以設定的正常速度開始后退運動，FPGA (A3P250)經內部伺服控制程序調整直流無刷伺服電機X和電機Y的PWM輸出，控制機器人電 動病床按照設定速度緩慢后退;在后退運動過程中，磁電傳感器M1、M2會時刻檢測直流無刷 伺服電機X和電機Y的運動速度和位移，并傳送給FPGA(A3P250)，FPGA(A3P250)根據磁電 傳感器Ml和M2的速度和位移反饋二次調整直流無刷伺服電機X和電機Y的P麗輸出，保證機 器人電動病床在安全速度范圍內運行，防止速度過快機器人電動病床推倒護工人員；在運 動過程中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以滿足實際需要，ARM實時 記錄電動病床的運行參數并在人機界面顯示； 9) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS按下，如果此時轉彎按鈕SK和前進按鈕SF被 觸發，無論加速按鍵SA是否被觸發，機器人電動病床都將以設定好的正常速度開始側向右 移，在運動過程中，機器人攜帶的側方防撞超聲波傳感器S6將工作，并向STM32F407控制器 時刻反饋其與前方障礙物的距離；如果防撞超聲波傳感器S6讀取到右方有障礙物時，FPGA (A3P250)經內部伺服控制程序調整直流無刷伺服電機X和電機Y的PWM輸出，控制機器人電 動病床在安全范圍內停車，控制器并開啟一個三秒的計時，如果三秒后控制器依舊讀取到 障礙物存在將向人機界面發出停車報警;如果三秒后障礙物信號消息，則機器人電動病床 將按照當前軌跡繼續側向右移;在機器人電動病床側向右移過程中，磁電傳感器Ml、M2會時 刻檢測直流無刷伺服電機X和電機Y的運動速度和位移，并傳送給FPGA(A3P250)，由FPGA (A3P250)二次調整電機X和電機Y的運動參數，保證系統滿足行走要求；在運動過程中， FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以滿足實際需要，ARM實時記錄電動病 床的運行參數并在人機界面顯示； 10) 當FPGA(A3P250)控制器檢測到啟動鍵SS-旦按下，如果此時轉彎按鈕SK和前進按 鈕SB被觸發，無論加速按鍵SA是否被觸發，機器人電動病床都將以設定好的正常速度開始 側向左移；在運動過程中，機器人攜帶的側方防撞超聲波傳感器S7將工作，并向FPGA (A3P250)控制器時刻反饋其與前方障礙物的距離;如果防撞超聲波傳感器S7讀取到運動前 方有障礙物時，FPGA(A3P250)經內部伺服控制程序調整直流無刷伺服電機X和電機Y的PWM 輸出，控制機器人電動病床在安全范圍內停車，控制器并開啟一個三秒的計時，如果三秒后 控制器依舊讀取到障礙物存在將向人機界面發出停車報警;如果三秒后障礙物信號消息， 則機器人電動病床將按照當前軌跡繼續側向左移;在機器人電動病床側向左移過程中，磁 電傳感器Ml、M2會時刻檢測直流無刷伺服電機X和電機Y的運動速度和位移，并傳送給FPGA (A3P250)，由FPGA(A3P250)二次調整電機X和電機Y的運動參數，保證系統滿足實際需求； 在運動過程中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制程序的PID參數以滿足實際需要，ARM 實時記錄電動病床的運行參數并在人機界面顯示； 11) 當機器人電動病床需要移出病房時，先有醫院負責人開啟行走權限密碼，可以有護 工人員推出房間，也可以有護工人員把機器人電動病床推到帶有地面導航標志的位置，機 器人電動病床進入自動導航狀態:其導航的光電傳感器31、32、53、54、55將工作，地面標志 反射回來的光電信號反饋給FPGA(A3P250)，經FPGA(A3P250)判斷處理后確定機器人偏移 導航軌道的偏差，FPGA(A3P250)經內部伺服控制程序把此偏差信號轉化為電機X和電機Y 要運行的加速度、速度和位移指令，再結合磁電編碼器Ml和M2的反饋生產驅動直流無刷伺 服電機X和電機Y的驅動信號，驅動信號放大后驅動直流無刷電機X和電機Y向前運動，快速 調整機器人電動病床迅速回到導航軌道中心；機器人電動病床沿著軌道行走過程，FPGA (A3P250)根據地面標志和磁電編碼器Ml和M2的反饋微調電機X和電機Y的驅動信號，使機 器人沿著設定好的軌道順利通過病房門口；當鋪設的軌道消失后，機器人電動病床就停在 原地等待人為移動信號，防止誤操作;在運動過程中，FPGA根據外界情況實時調整伺服控制 程序的PID參數以滿足實際需要，ARM實時記錄電動病床的運行參數并在人機界面顯示； 12) 本機器人電動病床在運動過程為了防止護士的誤操作以及遇到緊急狀況停車，加 入了緊急停車自動鎖車功能;如遇到緊急情況，當緊急按鍵ESWl按下后，控制器一旦檢測到 緊急中斷請求會發出原地停車指令，FPGA(A3P250)通過驅動器封鎖直流無刷伺服電機X、電 機Y和電機Z的PffM波信號，即使電動病床多個萬向輪都處于可以滑動狀態，由于行走電機X、 電機Y和電機Z處于鎖死狀態，這樣機器人電動病床也不會運動，保證了機器人在緊急狀況 下的安全性； 13) 本發明在機器人電動病床上加入了濕度檢測系統;此濕度檢測系統由濕敏傳感器、 測量電路和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉換、顯示和處理等功能，這 樣當病人大小便失控時，濕度檢測系統會工作，將發出報警信號，護工人員通過人機界面輸 出可以查出故障原因，然后更換床褥； 14) 本電動床裝備了多種防障礙物報警系統，機器人障礙物探測系統可以在機器人病 床碰撞到障礙物之前自動探測到障礙物的存在并通過控制器協助自動停車，并根據障礙物 的性質確定二次啟動或是一直待在原地不動，這樣就保證了機器人病床在運動過程中對周 圍環境的適應，減少了環境對其的干擾； 15) 在機器人電動病床行走過程中，直流無刷伺服電機經常會受到外界因素干擾，為了 減少電機的脈動轉矩對機器人行走的影響，FPGA(A3P250)控制器在考慮電機特性的基礎上 加入了對電機轉矩的在線辨識，并利用電機力矩與電流的關系進行及時補償，削弱了外界 環境對機器人運動的影響； 15)在機器人電動病床行走期間伺服控制器全程開啟加速度計Al和陀螺儀Gl，加速度 計Al和陀螺儀Gl可以精確測量出機器人病床三個前進方向的加速度，根據測得的加速度和 速度控制器通過連續積分就可以得到其位移，為機器人的三閉環控制提供可靠判據；同時 當機器人病床的姿態發生變化時，控制器就可以得到其大致傾斜角度和加速度要求，控制 器根據傾斜角度和加速度需求就可以大致計算出功率需求，然后調整各臺直流無刷伺服電 機的功率以滿足爬坡和加速需要;控制器通過對加速度計Al和陀螺儀Gl進行連續積分，且 把它變換到醫院導航坐標系中，機器人電動病床可以不依賴于任何外部信息就能夠得到其 在醫院導航坐標系中的加速度、速度、偏航角和位置等信息，控制器實時進行存儲和顯示。
[0031]本發明具有的有益效果是： 1:在控制過程中，充分考慮了電池在這個系統中的作用，基于ARM(STM32F407)+ FPGA (A3P250)控制器時刻都在對機器人電動病床的運行狀態和電源來源進行監測和運算，當交 流電源切斷時，病床會借助自攜帶蓄電池電源自鎖在固定位置，直至有移動病床的開關信 號輸入，保證了病床的自然狀態； 2:為了方便使用，減少外界對病床的干擾，護工人員、護士人員以及醫院管理人員均需 要開啟權限才可以啟動機器人電動病床，減少了誤操作的危險； 3:為了方便病人自理，減少對外界條件的依賴，本系統加入了人機界面功能，病人只要 通過電腦觸摸屏就可以自動控制病床機器人，這樣就可以不需要護理而自己解決部分簡易 的日常生活； 4:由于此電動病床加入了基于蓄電池的動力助力裝置，即使碰到病人身體肥胖或者護 理人員身體瘦弱時，病床本身在電源充足的條件下可以為護工人員和護士人員在屋子里移 動病床提供動力，減少了護士或者護工人員在屋子里移動病床的體力消耗和勞動強度； 5:由于此電動病床加入了基于直流無刷伺服電機的兩輪差速驅動系統，使得病床可以 在屋子里實現自由移動，減少了病人在某一個固定位置的壓抑感； 6:由于此電動病床加入了基于直流無刷伺服電機的兩輪差速驅動系統，使得單臺電機 的功率大大降低，并且動力與地面的接觸點有兩點，有利于提高電動病床行駛時的操控性； 7:由于此電動病床加入了基于直流無刷伺服電機的單軸加速助力系統，使得兩臺差速 行駛電機的功率可以進一步降低，并且動力與地面的接觸點有三點，在需要加速或者爬坡 時可以通過開啟助力電機滿足功率要求，在正常行駛時可以釋放加速電機，起到一個觸點 的左右，有利于提尚電動病床彳丁駛時的操控性； 8:由于加入了基于直流無刷伺服電機的兩輪差速驅動系統，在非常狹小的空間內可以 使病床機器人側向移動，減少機器人旋轉帶來的負面問題； 9:當機器人電動病床遇到爬坡的時，由于自身攜帶的有動力能源，所以可以通過助力 電機很好的起到助力作用，并且三輪驅動的動力特性遠遠優越于雙輪驅動，進一步減少了 對護工人員體力的要求； 10:由FPGA(A3P250)處理兩軸電機差速行駛和助力直流無刷伺服電機的全數字伺服控 制，大大提高了運算速度，解決了單單片機運行較慢的瓶頸，縮短了開發周期短，并且程序 可移植能力強； 11:本發明完全實現了單板控制，不僅節省了控制板占用空間，而且還完全實現了多軸 電機控制信號的同步，有利于提高醫用機器人電動病床的穩定性和動態性能； 12:由于本控制器采用FPGA(A3P250)處理三軸直流無刷伺服控制系統大量的控制數 據與算法，并充分考慮了周圍的干擾源，把ARM從復雜的計算中解脫出來，有效地防止了程 序的"跑飛"，抗干擾能力大大增強； 13:本機器人電動病床加入了自動鎖車功能，當病床機器人在移動過程中，如遇到緊急 情況，FPGA(A3P250)控制器會發出原地停車指令，并鎖死兩輪差速行駛電機，即使多個萬向 輪都處于可以滑動狀態，但由于驅動輪處于鎖死狀態，這樣機器人也不會運動； 14:為了能夠使機器人病床能夠自由移出病房門口，控制器加入了多種導航傳感器，機 器人在移出病房過程中一旦讀到地面標志就會自動導航，減少人工移動病床帶來的誤差； 15:本電動床機器人裝備了多種報警系統，在碰撞到障礙物之前自動停車，這樣就保證 了在運動過程中的安全性，減少了環境對其的干擾； 16:由于本機器人電動病床系統采用直流無刷伺服電機替代了直流電機，不僅進一步 提高了系統的安全性，也可以提高能源的利用率，增加了機器人電動病床在攜帶能源一定 的條件下一次移動的距離； 17:由于本機器人電動病床系統采用直流無刷伺服電機，當電機受到外界干擾產生脈 動轉矩時，直流無刷伺服電機可以利用力矩與電流的關系迅速進行補償，極大減少了外界 干擾對機器人電動病床的影響； 18:本機器人電動病床加入了濕度檢測系統;此濕度檢測系統由濕敏傳感器、測量電路 和顯示記錄裝置等幾部分組成，分別完成信息獲取、轉換、顯示和處理等功能，這樣當病人 大小便失控或者是床單潮濕時，濕度檢測系統會工作，發出更換請求； 18:由于由FPGA(A3P250)直接生產多軸直流無刷電機驅動信號，不需要DSP向其輸入任 何參數，使得系統的處理速度加快，有利于系統高速運行； 19:FPGA(A3P250)控制器根據外圍環境實時調整伺服控制系統的PID參數，滿足電動病 床不同狀況下快速伺服控制系統調整的要求； 20:加速度計Al和陀螺儀Gl用來測量機器人病床三個前進方向的加速度和速度，根據 測量值控制器通過連續積分就可以得到其速度和位移，為機器人的三閉環控制提供可靠判 據； 21:加速度計Al和陀螺儀Gl可以提高機器人電動病床在行走過程中導航的穩定性，實 現姿態的自動精確調整、計算加速爬坡時需要的功率。
[0032]以上所述僅為本發明的實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是利用本發 明說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領 域，均同理包括在本發明的專利保護范圍內。
【主權項】
1. 一種雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于，包括交流電源、電池、 控制板、第一電機、第二電機、第三電機以及機器人電動病床，所述的交流電源和電池提供 電流驅動所述的控制板，所述的控制板采用雙核控制器，包括ARM和FPGA，所述的ARM和FPGA 進行通信連接，所述的FPGA內部還設有伺服梯形發生器，所述的機器人電動病床上設有傳 感器，所述的FPGA接受傳感器反饋的傳感器信號，由所述的FPGA經過伺服梯形發生器發出 第一控制信號和、第二控制信號和第三控制信號，所述的第一控制信號、第二控制信號和第 三控制信號經驅動放大后驅動所述的第一電機、第二電機和第三電機，所述的第一電機、第 二電機和第三電機上均設置有磁電編碼器，通過磁電編碼器由所述的第一電機、第二電機 和第三電機控制所述的機器人電動病床的前進、運行速度和運行方向。2. 根據權利要求1所述的雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于，所述 的電池采用鋰離子電池。3. 根據權利要求1所述的雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于，所述 的第一電機、第二電機和第三電機均采用高速直流無刷伺服電機。4. 根據權利要求1所述的雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于，所述 的ARM采用STM32F407;所述的FPGA采用A3P250。5. 根據權利要求1所述的雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于，所述 的傳感器包括加速度計和陀螺儀。6. 根據權利要求1所述的雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于，所述 的第一控制信號、第二控制信號和第三控制信號均為PWM波控制信號。7. 根據權利要求1所述的雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器，其特征在于，所述 的雙核三輪驅動高速機器人電動病床控制器還設置有人機界面程序和運動控制系統，所述 的人機界面程序包括人機界面、路徑規劃以及在線輸出，所述的運動控制系統包括基于 FPGA三軸直流無刷電機伺服控制、數據存儲以及I/O控制，其中，所述的基于FPGA三軸直流 無刷電機伺服控制包括磁電編碼器模塊、加速度計和陀螺儀加速度模塊、基于磁電傳感器 速度模塊以及基于磁電傳感器位移模塊。
【文檔編號】A61G7/018GK106074048SQ201610600791
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月28日 公開號201610600791.0, CN 106074048 A, CN 106074048A, CN 201610600791, CN-A-106074048, CN106074048 A, CN106074048A, CN201610600791, CN201610600791.0
【發明人】張好明
【申請人】江蘇若博機器人科技有限公司